贮存器和火药桶：海水增温导致的温室气体排放

                              杨学祥，杨冬红

一、2013年地球大气的三种主要温室气体浓度均创下新高

世界气象组织9月9日发布年度《温室气体公报》称，2013年地球大气的三种主要温室气体浓度均创下新高。

　　公报称，2013年地球大气中二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度均创新高，其中二氧化碳浓度为396ppm（1ppm为百万分之一），相当于工业化前（1750年）水平的1.42倍。初步数据显示，受地球生物圈吸收量降低及排放逐步增加的影响，2012至2013年，大气中二氧化碳浓度增加了2.9ppm，为1984年以来的年度最高增幅。

　　此外，2013年地球大气甲烷浓度为1824ppb（1ppb为十亿分之　一），相当于1750年水平的2.53倍；氧化亚氮浓度为325ppb，相当于1750年水平的1.21倍。

　　公报今年首次涵盖了温室气体造成的海洋酸化影响，并称，海洋可吸收人类排放二氧化碳的约四分之一，但吸收二氧化碳量增加会导致海洋酸化，目前海洋酸化速度为过去3亿年中前所未有。

世界气象组织总干事米歇尔·雅罗表示，去年大气中二氧化碳浓度增加值为近30年来的最高增幅，由于二氧化碳可在大气及海洋中存在数百年之久，过去、现在和将来的二氧化碳排放将对全球变暖和海洋酸化造成不可逆的累积影响。

http://news.sohu.com/20140909/n404177919.shtml

二、自然的碳排放值得重视

最近，日本一项研究发现，由于全球变暖导致降水增加，西伯利亚永久冻土带的森林土壤将更易释放甲烷，从而导致全球变暖进一步加剧。

　　日本森林综合研究所1日发表的一份公报称，2005年至2007年，该所研究人员在中西伯利亚永久冻土带的落叶松林中，检测了土壤吸收和释放甲烷的速度。结果发现，2005年和2006年，土壤中吸收甲烷的甲烷氧化细菌活跃，全年吸收的甲烷量超过了释放的甲烷量。

　　但是，在年降水量比常年多的2007年，森林土壤释放的甲烷量则超过了吸收的甲烷量。研究小组认为，这是由于土壤含水量增加导致甲烷氧化细菌不够活跃，而生成甲烷的产甲烷菌的活动则变得活跃造成的。

　　研究小组认为，随着全球变暖，中西伯利亚降水量预计会增加，所以甲烷的释放量有可能进一步增加。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2013年的报告曾指出，全球变暖会导致西伯利亚地区释放大量甲烷，不过报告没有考虑到降雨对于甲烷释放量的影响。此次发现将有助于IPCC更准确地预测全球变暖趋势。

http://roll.sohu.com/20140902/n403988616.shtml

据Gerlach的估算，全球陆相火山以宁静方式放出二氧化碳的速率为每年792 百万吨，而陆相火山喷发出的二氧化碳的速率仅为每年66 百万吨^[32]。前者是后者的12倍多。宁静方式火山放气没有明显的火山灰，其增温效果显著。

近期发现海洋气体水合物（可燃冰）蕴藏的碳为地球上所有已知天然气、原油和煤的碳量的二倍，从中逃逸出的气体形成的温室效应远大于人类活动^[39]。

人类排放的温室气体可以人为控制，但代价巨大。自然排放的温室气体数量同样巨大，但不可控制，是触发自然灾难和气候变化的基本因素，需要更多研究和关注，否则，人类的各种努力都会功亏一篑。

自然排放温室气体的方式有多种，包括森林大火、煤层自燃、火山喷发、地下排气、冻土增温等，其中，海洋既是温室气体的贮存器也是火药桶。

三、海洋既是温室气体的贮存器也是火药桶

海洋是温室气体的巨大贮存器，只要存储在海洋中的碳释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍^[54]。在1 个大气压下，海水温度从0℃升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源^[55]。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图1-2）^[36]。

图1  巨大火成区和全球变暖

Fig 1  Large igneous provinces and global warming

图2  巨大火成区的规模比例

Fig 2 The proportion of the large igneous provinces

120Ma前海底地幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[35]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上^[37]。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。

最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度^[38]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图1-2）。

在过去的20年中，研究人员搜集了有关古新世—始新世（5500万年前）最热现象（PETM）的数据。在PETM期间，地球的表面温度在1万年的时间里上升了9℃，而这一事件的起始温度要高于地球目前的气温。地球的温度在这一较高水平上一直持续了近10万年。在PETM期间，大气中的气体浓度上升了约700 ppm（百万分之一），即从1000 ppm升至1700 ppm——这比现今的385 ppm高出了4倍之多。据估计，温室气体的大量灌入形成了这一气温峰值。

然而一项新的分析结果似乎并不能完全支持这一假设。研究人员模拟了在PETM期间，大气的灵敏度增加到翻一番的二氧化碳水平——2000 ppm，地球温度会发生何种变化。最终的结果显示，这些二氧化碳最高可以使温度升高3.5℃。这就意味着还有一些其他的因素使地球的温度升高了5.5℃。这一无法解释的变暖现象使人们对究竟是什么导致了重大且快速的气候变化的认知存在着一个缺口：二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因^[39]。

事实上，5500万年前的温度峰值与北大西洋边缘的巨大火成区同时出现，后者喷出的熔岩为哥伦比亚溢流玄武岩体积的3倍多。1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌^[35]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。图3中可以看到，巨大火成区大部分处于海洋及其边缘，喷发物被海水过滤，减少火山灰降温作用，增强温室气体增温作用。海洋被加热，释放大量温室气体，两种因素都导致气温升高。

图3 全球巨大火成区（黑色部分）

Fig 3Global large igneous provinces

Engel and Engel给出了6亿年以来北美火山喷发曲线（见图4 ）^[40]，Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化^[41]，与图1-2的变化趋势基本一致。

图4  北美火山活动曲线（据Engel and Engel, 1964）^[39]

Fig. 4 The cure of volcanic activity in North America（after Engel and Engel, 1964）^[39]

在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应^[42]。

叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO₂的含量十倍于现在；陨石增多^[43]。在此期间，地球自转速度处于峰值。相反，437Ma的奥陶志留纪大冰期和437Ma的石炭二叠纪大冰期对应地球自转速度低谷。

巨大火成区来自核幔边界地幔柱的猛烈喷发，核幔边界地幔柱喷发的能量又来自何处？

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。最强的太阳辐射加强圈层角动量交换，使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模地幔柱喷发的原因^{[35, 43-51]}。

化石种类数据的小波分析显示存在大约62Ma和140Ma两个明显周期^{[52, 53]}。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。这些新的结果指出，各种地质过程的一致性可能是与深部地幔的活动变化相关的。银河年280Ma周期在地球大冰期和温暖期转换周期、地球自转长期变化周期、火山喷发长周期、陆海变动周期、造山作用周期、地磁极性变化长周期都有明显的表现。280Ma周期是140Ma周期的倍数周期，是140Ma周期受控于银河年周期的证据，最可能的因素是太阳辐射强度的变化。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的地幔柱活动有控制作用（图4）^[5,18-20]。

图5  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

         Fig.5 Relation among solar radiation, core-mantleangular momentum and climate change

巨大火成岩省形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是，导致全球变暖的巨大火成岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。在导致海水增暖的同时，也导致海水中温室气体的排放。

巨大火成岩省的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma）^{[36, 41]}，对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍^[54]。海洋是CO₂的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源^[55]。

火山喷发出的火山灰能够遮蔽阳光，具有致冷作用；火山喷出的温室气体——CO₂和水汽具有致热作用。特别值得指出的是，海底火山喷发经过海水过滤，不仅能释放出海洋中的温室气体，而且能使大气和海洋同时增温。温室效应只有增温效应，模拟计算表明，二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃^[56]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[58]，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库^[23]。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的。

四、结论

温室效应仅仅是导致全球变暖的一种因素，海水增温排气也是全球变暖的重要因素，海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。

研究表明，全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库，如果海洋底层水温度没有提高到一亿年前的水平，全球就不会重现中生代白垩纪的高温期，强潮汐和强震会不断用海底冷水来冷却大气，使气候变冷。海洋底层温度变化是全球气候变化的晴雨表，地球内部能量释放、海水温度和全球气候的相关性，使我们有可能通过海底温度的变化预测全球气候长期变化^[62]。

目前，海洋可吸收人类排放二氧化碳的约四分之一，这表明海洋中的二氧化碳并未达到饱和。海水增温，不断降低海水中二氧化碳的溶解度，一旦海水中二氧化碳的溶解度达到饱和的临界点，海洋增温就会导致海水中二氧化碳的排放。人类将无法控制这一自然进程。

近期的研究表明海洋增温吸收热量是全球变暖停滞16年的原因，增温排气是其最后的恶果。海洋增温排气不仅有二氧化碳，而且包括储量巨大的可燃冰。